我们日常生活中使用的能源中，大约70%都以发动机、工厂和电气设备产生的热能形式被浪费了。然而，洛桑联邦理工学院工程学院的研究人员在理论上取得了重大进展，可以促进可持续能源的产生。
材料理论与模拟(THEOS)实验室的计算工作揭示了用于提高热电转换效率的主要技术之一背后的基本理论，为更好的材料选择和更快、更具成本效益的发现过程铺平了道路。这一突破发表在《物理评论研究》杂志上，有可能为更绿色的经济和更可持续的未来做出贡献。
热电设备是一个热门话题，因为它们具有将废热转化为可持续电力的巨大潜力。当热电材料存在温差时，一侧比另一侧热，就会导致材料内的电荷流动，产生可以转换回电能的电流。人们越来越多地希望这种技术能够增强从运输到发电厂和制造业等各种能源密集型行业的可持续性。
然而，由于缺乏导热性差的材料的导热基础理论，最大限度地提高热电转换效率已被证明具有挑战性。对于可用于热电装置的材料，它需要具有低热传递或热导率和高电导率。两者之间的差异越大，材料就越适合。一些材料被认为是很好的候选材料，但材料科学家必须依赖昂贵的测试，因为基本的物理原理仍然难以捉摸。
这就是计算物理学的用武之地，它在强大的超级计算机上采用先进的模拟和建模技术来揭示控制热电材料行为和热传导的基本物理原理。
THEOS研究员EnricoDiLucente与现就职于剑桥大学的MicheleSimoncelli以及THEOS负责人NicolaMarzari教授合作表示：“解开热电材料的理论秘密，让我们离更环保、更可持续的未来又近了一步。”以及NCCRMARVEL的导演。
为了解开这个谜团，洛桑联邦理工学院团队的研究重点是一类被称为方钴矿的晶体，这种晶体具有独特的笼状原子结构，被认为是有前途的热电转换材料。当将补充原子(称为“响尾蛇”)添加到它们的原子笼中时，它们的热电效率会提高。
通过洛桑联邦理工学院开发的新模型，研究人员观察到了预期的传热显着减少，并在不需要任何经验数据的情况下极其精确地预测了这一现象。
主要的科学进步来自于计算模型如何揭示出意想不到的量子机制的作用。
“我们第一次发现，这些响尾蛇原子会导致晶体内的热量传导方式发生转变，从粒子状传导转变为波状隧道效应，”迪卢森特说。新的计算模型为设计具有超低导热率的新型材料打开了大门，而无需进行昂贵的实证试验，使我们向创建更节能的经济迈出了重要的一步。